一种高增益超宽带全介质超表面圆极化器

1.本发明属于微波无源器件和微波通信技术领域，具体涉及一种高增益超宽带全介质超表面圆极化器。


背景技术：

2.电磁波的极化状态是电磁波的一个重要特性，表征为在空间给定点上电场强度矢量的取向随时间变化的特性，并用电场强度矢量的端点随时间变化的轨迹来描述，包含线极化、圆极化和椭圆极化三种极化类型。很多情况下，电磁波的极化方向在实际应用中起到十分关键的作用，这种特性被用于反射面天线、成像系统、传感器以及天线雷达罩等。传统的电磁波极化调控方法包括光栅调控，双色性晶体调控，以及双折射效应调控等。根据这些原理制造出的设备的尺寸远大于工作频段的电磁波波长，构造起来相当复杂而且制作成本很高。超材料(人工电磁材料)是一种人工构造的具有特殊电磁特性的材料，这些特殊的电磁特性使它能够控制电磁波的传输特性，其中就包括电磁波的极化特性。
3.在现代雷达和无线通信中，仅靠线极化天线已很难满足要求。高增益、圆极化天线由于其具有抗雨雾干扰、抗多径效应等特性受到了广泛的关注。将超材料圆极化器件与传统线极化天线集成实现圆极化电磁波的出射是满足高增益圆极化天线应用需求的一种方法。从微波频段到光波频段，已经有许多基于各向异性超材料和手征超材料的圆极化器件。
4.但是，这些极化转换器件的工作频率很窄、增益较低，在实际应用中受到了很大的限制。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种高增益超宽带全介质超表面圆极化器。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
6.一种高增益超宽带全介质超表面圆极化器，所述圆极化器包括：离散介质透镜和馈源天线，其中，
7.所述离散介质透镜包括呈阵列分布的若干介质基础单元，且每个介质基础单元包括依次连接的方形孔抗反射结构、方形介质柱结构、矩形介质柱结构和矩形孔抗反射结构；
8.所述馈源天线处于靠近所述矩形孔抗反射结构的一侧，在高度方向上，靠近所述馈源天线的所述离散介质透镜的面为平面，远离所述馈源天线的所述离散介质透镜的面为曲面。
9.在本发明的一个实施例中，相邻的两个所述介质基础单元之间的距离为零。
10.在本发明的一个实施例中，所有所述方形孔抗反射结构的高度均相等、所有所述矩形介质柱结构的高度均相等以及所有所述矩形孔抗反射结构的高度均相等，所有所述方形介质柱结构的高度从边缘至中心逐渐增大。
11.在本发明的一个实施例中，所述方形介质柱结构在高度为h时提供的修正透射相位的计算公式为：
12.φc＝φ
h-2π(h
max-h)/λ013.其中，h为所述方形介质柱结构的高度，φc为修正透射相位，φh为在工作频率下的透射相位，h
max
为所述方形介质柱结构的最大高度，λ0为在工作频率下的波长。
14.在本发明的一个实施例中，所述离散介质透镜的补偿相位的计算公式为：
[0015][0016]
mod[φ
tot
(x
max
,y
max
)-φ
tot
(x,y),2k1π]＝φ
c-φc(x
max
,y
max
)
[0017]
其中，φ
tot
(x,y)为坐标(x,y)处所述离散介质透镜的补偿相位，k0为传播常数，且k0＝2π/λ0，f0为焦距，mod为取余函数，φc(x
max
,y
max
)为所述方形介质柱结构的最小高度所对应的相位，(x
max
,y
max
)为距离原点最远的介质基础单元的中心坐标，k1为最大高度h
max
的所述方形介质柱结构的最大相移2k1π的周期。
[0018]
在本发明的一个实施例中，所述离散介质透镜的材料包括3d打印材料。
[0019]
在本发明的一个实施例中，所述离散介质透镜包括x行y列的介质基础单元，且x和y相等。
[0020]
在本发明的一个实施例中，所述方形孔抗反射结构的方形孔的宽度为所述方形介质柱结构的宽度的0.76倍，所述矩形孔抗反射结构的矩形孔的宽度和长度分别为所述矩形介质柱结构的宽度和长度的0.76倍。
[0021]
在本发明的一个实施例中，所述馈源天线包括线极化天线。
[0022]
在本发明的一个实施例中，所述馈源天线为喇叭天线。
[0023]
本发明的有益效果：
[0024]
1.本发明的极化器可以在很宽的频带内实现线极化电磁波到圆极化电磁波的有效转换，转换得到的圆极化波具有很好的圆极化特性。
[0025]
2.本发明的极化器可以在很宽的频带内实现球面波到平面波的有效转换，使其具有超宽带高增益特性。
[0026]
3.本发明的极化器的结构简单，可以利用3d打印技术制作，成本低廉，易于实现和加工。
[0027]
4.通过对本发明的极化器进行等比例缩减，其还可以工作于其他频段，如毫米波和太赫兹频段。
[0028]
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
[0029]
图1是本发明实施例提供的一种高增益超宽带全介质超表面圆极化器的结构示意图；
[0030]
图2是本发明实施例提供的一种介质基础单元放大后的示意图；
[0031]
图3是本发明实施例提供的一种介质基础单元放大后的尺寸示意图；
[0032]
图4是本发明实施例提供的一种高增益超宽带全介质超表面圆极化器中的全介质超表面的示意图；
[0033]
图5是本发明实施例提供的一种高增益超宽带全介质超表面圆极化器与原始馈源
喇叭天线的增益对比数据图；
[0034]
图6是本发明实施例提供的一种超宽带电磁超表面圆极化器的轴比数据图。
[0035]
图中标号：
[0036]
离散介质透镜-1；馈源天线-2；方形孔抗反射结构-11；方形介质柱结构-12；矩形介质柱结构-13；矩形孔抗反射结构-14。
具体实施方式
[0037]
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0038]
实施例一
[0039]
请参见图1和图2，图1是本发明实施例提供的一种高增益超宽带全介质超表面圆极化器的结构示意图，图2是本发明实施例提供的一种介质基础单元放大后的示意图，本实施例提供一种高增益超宽带全介质超表面圆极化器，该高增益超宽带全介质超表面圆极化器包括：离散介质透镜1和馈源天线2，其中：
[0040]
离散介质透镜1包括呈阵列分布的若干介质基础单元，且每个介质基础单元包括依次连接的方形孔抗反射结构11、方形介质柱结构12、矩形介质柱结构13和矩形孔抗反射结构14，方形孔抗反射结构11和方形介质柱结构12垂直于轴向的平面均为正方形且宽度相等，且方形孔抗反射结构11为沿轴向具有正方形通孔的结构，方形介质柱结构12为实心结构，矩形介质柱结构13和矩形孔抗反射结构14垂直于轴向的平面均为矩形且对应的宽度和长度相等，且矩形孔抗反射结构14为沿轴向具有矩形通孔的结构，矩形介质柱结构13为实心结构，其中，如图3所示，方形介质柱结构12的宽度w1与矩形介质柱结构13的长度相等，矩形介质柱结构13用来提供各向异性；
[0041]
馈源天线2处于靠近矩形孔抗反射结构14的一侧，在高度方向上，靠近馈源天线2的离散介质透镜1的面为平面，远离馈源天线2的离散介质透镜1的面为曲面，馈源天线2提供线极化球面波，馈源天线2位于离散介质透镜几何中心轴线上的某一处。
[0042]
本实施例的方形孔抗反射结构11和矩形孔抗反射结构14可以在电磁波透射介质柱时减少电磁波的反射增加透射性能。
[0043]
优选地，方形孔抗反射结构11的方形孔的宽度为方形介质柱结构的宽度的0.76倍，矩形孔抗反射结构14的矩形孔的宽度和长度分别为矩形介质柱结构13的宽度和长度的0.76倍，由此可以达到电磁波零反射的效果。
[0044]
在一个具体实施例中，离散介质透镜1包括x行y列的介质基础单元，且x和y相等。
[0045]
在一个具体实施例中，相邻的介质基础单元之间的距离为零。
[0046]
在一个具体实施例中，所有方形孔抗反射结构11的高度均相等、所有矩形介质柱结构13的高度均相等以及所有矩形孔抗反射结构14的高度均相等，所有方形介质柱结构12的高度从边缘至中心逐渐增大。
[0047]
本实施例通过调整方形介质柱结构12的高度，使辐射单元在宽频率内都可以获得补偿相位，将球面波变为平面波以增加馈源天线增益。
[0048]
本实施例通过调整矩形孔抗反射结构14的高度，使其提供工作频率上x与y方向90
°
的相位差，实现线极化电磁波到圆极化电磁波的有效转换。由于矩形孔抗反射结构14的
各向异性特性，矩形孔抗反射结构14在2个正交方向上的等效折射率不同。当极化方向与x轴和y轴的夹角均为45
°
的线极化电磁波入射到各向异性电磁材料时，该线极化电场可以分解为沿着x轴方向和y轴方向的两个同幅等相的正交电场，这两个正交方向电场经过矩形孔抗反射结构14透射后振幅相等，传输相位差值为90
°
，形成圆极化的透射波。
[0049]
例如，在工作频率为26ghz时，矩形介质柱结构13的高度为22mm时，x与y方向的透射相位相差90
°
，可以满足圆极化器的需要。
[0050]
在本实施例中，如图4所示，若干介质基础单元阵列排布形成人工电磁表面，令人工电磁超表面的中心为原点，经过原点且垂直于人工电磁超表面的直线为z轴，任一移相单元的中心相对原点的坐标为(x,y)，其中，离散介质透镜所需补偿的相位的计算公式为：
[0051][0052]
其中，φ
tot
(x,y)为坐标x,y处离散介质透镜1的补偿相位，k0为传播常数，且k0＝2π/λ0，f0为焦距。
[0053]
因方形介质柱结构12主要通过变换高度来达到所需的透射相位，因此以高度最高的方形介质柱结构12的顶端作为计算平面，透射过高度不同方形介质柱结构12的电磁波的透射相位与所需要的补偿相位是有差异的，因此高度为h的方形介质柱结构12所能提供的修正透射相位φc公式为：
[0054]
φc＝φ
h-2π(h
max-h)/λ0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0055]
其中，φc为高度为h的方形介质柱结构12所能提供的修正透射相位，φh为高度为h的方形介质柱结构12在电磁仿真软件中所设计工作频率下的透射相位，h
max
为方形介质柱结构12的最大高度，h为方形介质柱结构12的高度，λ0为所设计工作频率下的波长。
[0056]
本实施例利用公式(3)将(x,y)处所需补偿相位φ
tot
(x,y)与方形介质柱结构12所能提供的修正透射相位φc对应起，其中，公式(3)为：
[0057]
mod[φ
tot
(x
max
,y
max
)-φ
tot
(x,y),2k1π]＝φ
c-φc(x
max
,y
max
)
ꢀꢀꢀ
(3)
[0058]
其中，k1为最大高度h
max
的方形介质柱结构12的最大相移2k1π的周期，mod为取余函数，φc(x
max
,y
max
)为方形介质柱结构12在最边缘处的高度，为最小高度所对应的相位，(x
max
,y
max
)为距离原点最远的介质基础单元的中心坐标。
[0059]
因此，根据每一个介质基础单元所在位置(x，y)的不同，根据上述公式(1)-(3)计算出所需的补偿相位并将其转化为方形介质柱结构12的高度h。
[0060]
优选地，离散介质透镜1的材料包括3d打印材料，可以利用3d打印技术制作，成本低廉，易于实现和加工。
[0061]
优选地，馈源天线2可以为任意线极化天线。
[0062]
进一步地，馈源天线2为喇叭天线。
[0063]
本发明可以通过调节极化器的参数，使其工作在不同的频段，这些参数包括方形介质柱结构12的宽度与高度、矩形介质柱结构13的宽度与高度以及介质基础单元的介电常数、损耗角正切。通过优化选取相关结构的几何参数后可以在很宽的频带内实现线极化电磁波到圆极化电磁波的有效转换。
[0064]
在本发明优选实施例中：圆极化器工作在微波频段24ghz下，介质基础单元采用3d打印常用材料pla(聚乳酸)，介电常数为2.76，损耗角正切为0.014。离散介质透镜采用23
×
23的周期结构，即采用23
×
23个介质基础单元组成。经优选数据，请参见图3，介质基础单元具体参数如下：方形介质柱结构12的宽度w1＝6.25mm,方形孔抗反射结构11的方形孔的宽度p＝4.75mm，方形孔抗反射结构11的高度h3＝1.88mm；矩形介质柱结构13的宽度w2＝3.13mm，长度与w1相等，矩形介质柱结构13和矩形孔抗反射结构14的总高度h2选为20mm，满足24ghz下产生x与y方向90
°
的相位差的条件。通过方形介质柱结构12的高度变换来提供补偿相位，将球面波转换为平面波以提高增益。
[0065]
由图5可见，本发明提供的圆极化器-1db增益带宽高达42％，最高增益为25.1dbi，可以在很宽的频带内实现增益的提高，相较于馈源喇叭天线，增益提高了11.5dbi。
[0066]
由图6可见，本发明提供的圆极化器，在整个设计频带内。轴比小于3db的圆极化带宽高达29.2％，可以在很宽的频带内实现线极化电磁波到圆极化电磁波的转换，并且转换得到的圆极化波具有很高的圆极化程度。
[0067]
本发明设计的高增益超宽带全介质超表面圆极化器，离散介质透镜由周期性排列的各向异性介质基础单元构成全介质电磁超表面，馈源天线照射在离散介质透镜表面后，经过电磁超表面的相位调控可以将球面波变为平面波并提高增益、同时可以将入射的线极化电磁波转换为圆极化电磁波，并可以实现超宽频率范围球面波到平面波、线极化到圆极化的转换和增益提升。本发明可利用3d打印技术制作介质透镜表面，设计简单、成本低廉、易于加工，同时具有增益高、工作频率宽、圆极化效果好的特点。此外，基于人工电磁超表面制造出的极化转换设备构造简单、体积小，在系统中更易于集成，在实际应用中的前景广阔。总之，本发明提供的圆极化器具有很好的性能，产品容易加工，且价格便宜，在很大程度上能适应工程需求。
[0068]
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0069]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
[0070]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的
保护范围。